Using industrial robots for machining applications in flexible manufacturing processes lacks a high accuracy. The main reason for the deviation is the flexibility of the gearbox. Secondary Encoders (SE) as an additional, high precision angle sensor offer a huge potential of detecting gearbox deviations. This paper aims to use SE to reduce gearbox compliances with a feed forward, adaptive neural control. The control network is trained with a second network for system identification. The presented algorithm is capable of online application and optimizes the robot accuracy in a nonlinear simulation.

Was in der vorliegenden empirischen Analyse des Einzelfalls mit Blick auf eine umfassende organisationale Transformation als inhärent-emergenter Prozess beschrieben wird, ist gewiss ein Sonderfall: Nach dem Abbruch eines Beratungsprozesses treibt ein System seine Transformation autonom voran, ohne weitere Unterstützung einer Prozessberatung und stellt damit seine Selbstentwicklungsfähigkeit in einem transformativen Prozess der Organisationsentwicklung unter Beweis. Dies ist in der Organisationsentwicklung nicht die Regel und wird sehr wahrscheinlich auch nicht von anderen Organisationen als Modell aufgegriffen, auch nicht von Organisationen desselben Typs (familiengeführte mittelständische Organisationen). Dass ein Eintritt in eine radikale Transformation als autopoietischer Prozess wie hier überhaupt möglich ist, ist den spezifischen Eigenschaften einer Organisation und ihrer zentralen Entscheidungsakteure, besonderen, kontingent geprägten Ereignisketten sowie der aktuellen Konstellation der zweiten Führungsebene zuzuschreiben. Die hier vorgestellte Untersuchung entspricht daher einem „neuen und unbeschriebenen Fall“ (Hering/Jungmann, 2005: 621), einem „per se interessanten Fall“ (ebd.), der sich in keinen Forschungsstand einordnen lässt.

In this paper we present the results of the project “#Datenspende” where during the German election in 2017 more than 4000 people contributed their search results regarding keywords connected to the German election campaign. Analyzing the donated result lists we prove, that the room for personalization of the search results is very small. Thus the opportunity for the effect mentioned in Eli Pariser’s filter bubble theory to occur in this data is also very small, to a degree that it is negligible. We achieved these results by applying various similarity measures to the result lists that were donated. The first approach using the number of common results as a similarity measure showed that the space for personalization is less than two results out of ten on average when searching for persons and at most four regarding the search for parties. Application of other, more specific measures show that the space is indeed smaller, so that the presence of filter bubbles is not evident. Moreover this project is also a proof of concept, as it enables society to permanently monitor a search engine’s degree of personalization for any desired search terms. The general design can also be transferred to intermediaries, if appropriate APIs restrict selective access to contents relevant to the study in order to establish a similar degree of trustworthiness.

Cancer cells often harbor chromosomes in abnormal numbers and with aberrant structure. The consequences of these chromosomal aberrations are difficult to study in cancer, and therefore several model systems have been developed in recent years. We show that human cells with extra chromosome engineered via microcell-mediated chromosome transfer often gain massive chromosomal rearrangements. The rearrangements arose by chromosome shattering and rejoining as well as by replication-dependent mechanisms. We show that the isolated micronuclei lack functional lamin B1 and become prone to envelope rupture, which leads to DNA damage and aberrant replication. The presence of functional lamin B1 partly correlates with micronuclei size, suggesting that the proper assembly of nuclear envelope might be sensitive to membrane curvature. The chromosomal rearrangements in trisomic cells provide growth advantage compared to cells without rearrangements. Our model system enables to study mechanisms of massive chromosomal rearrangements of any chromosome and their consequences in human cells.

Entscheidungen und Entscheidungsprozesse der Legislative der Vereinigten Staaten von Amerika

In recent years, the Federal Republic of Germany has been the most significant destination for asylum-related migration in the European Union. Asylum-related migrants are those who left their country of origin to search for better life in a country that is safe and usually provides better economic opportunities. Most of these migrants sought asylum; however, not all needed international protection. There is a continuum between forced and voluntary migration and the categorization and categories of migrants are very context-dependent. The main research questions in this research report are the following: 1. What kinds of asylum-related migrants (refugees, people with a temporary residence permit, asylum seekers, non-deportable former asylum seekers and undocumented migrants) live in Germany, in particular in Rhineland-Palatinate and Kaiserslautern? 2. What are the everyday lives of asylum-related migrants like in Rhineland-Palatinate and Kaiserslautern? 3. What are the migration wishes and plans of asylum-related migrants in Rhineland-Palatinate and Kaiserslautern? 4. How and for what reasons do asylum-related migrants in Rhineland-Palatinate and Kaiserslautern use the Internet and social media? The research questions are answered based on the empirical material collected during the field research in the spring and summer of 2019. In addition, earlier research and statistics on migrants, asylum seekers and refugees in Germany are utilized. Asylum-related migrants responded according to their own views; the results indicate both their perspectives and our interpretation of them.

The Atacama Desert is one of the driest and probably oldest deserts on Earth where only a few extremophile organisms are able to survive. This study investigated two terricolous and two epiphytic lichens from the fog oasis “Las Lomitas” within the National Park Pan de Azúcar which represents a refugium for a few vascular desert plants and many lichens that can thrive on fog and dew alone. Ecophysiological measurements and climate records were combined with molecular data of the mycobiont, their green algal photobionts and lichenicolous fungi to gain information about the ecology of lichens within the fog oasis. Phylogenetic and morphological investigations led to the identification and description of the new lichen species Acarospora conafii sp. nov. as well as the lichenicolous fungi that accompanied them and revealed the trebouxioid character of all lichen photobionts. Their photosynthetic responses were compared during natural scenarios such as reactivation by high air humidity and in situ fog events to elucidate the activation strategies of this lichen community. Epiphytic lichens showed photosynthetic activity that was rapidly induced by fog and high relative air humidity whereas terricolous lichens were only activated by fog.

Dieser Arbeits- und Forschungsbericht skizziert die Erprobung und beschreibt die Evaluationsergebnisse des wissenschaftlichen Zertifikatskurses „Beraten, Informieren und Schulen in der Pflege“. Der Kurs wurde im Wintersemester 2018/19 an der Hochschule für Wirtschaft und Gesellschaft Ludwigshafen teilerprobt und durch Mitarbeitende des Teilprojektes E-hoch-B – „Pflege und Gesundheit“ begleitet und evaluiert. Ziel war es, die soziodemografischen Merkmale sowie bildungs- und berufsbiografischen Kennzeichen der Teilnehmenden des Zertifikatskurses herauszuarbeiten. Weiterhin sollte festgehalten werden, wie die Teilnehmenden den Zertifikatskurs erlebt haben und welche Handlungsempfehlungen für die Weiterentwicklung und Verstetigung des Kurses abgeleitet werden können. Die Zielgruppe für das evidenzbasierte Bildungsangebot waren berufserfahrene Pflegefachpersonen aus der ambulanten Gesundheitsversorgung. Es sind qualitative Fokusgruppeninterviews durchgeführt worden, die durch Fragebögen flankiert wurden.

Dieser Arbeits- und Forschungsbericht skizziert die Erprobung und beschreibt die Evaluationsergebnisse des wissenschaftlichen Zertifikatskurses „Versorgungsstrategien und psychosoziale Unterstützung für ein Leben mit Demenz zu Hause“. Der Kurs wurde im Wintersemester 2018/19 an der Hochschule für Wirtschaft und Gesellschaft Ludwigshafen erprobt und durch Mitarbeitende des Teilprojektes E-hoch-B – „Pflege und Gesundheit“ begleitet und evaluiert. Ziel war es, die soziodemografischen Merkmale sowie bildungs- und berufsbiografischen Kennzeichen der Teilnehmenden des Zertifikatskurses herauszuarbeiten. Weiterhin sollte festgehalten werden, wie die Teilnehmenden den Zertifikatskurs erleben und welche Handlungsempfehlungen für die Weiterentwicklung und Verstetigung des Kurses abgeleitet werden können. Die Zielgruppe für das evidenzbasierte Bildungsangebot waren berufserfahrene Pflegefachpersonen aus der ambulanten Gesundheitsversorgung. Es sind qualitative Fokusgruppeninterviews durchgeführt worden, die durch Fragebögen flankiert wurden.

Eine große Bandbreite tribologisch belasteter Bauteile kann durch Verwendung einer Oberflächenbeschichtung verbessert werden. Mit Beschichtungswerkstoffen aus Hochleistungspolymeren und funktionellen Füllstoffen lassen sich in tribologischen Systemen niedrige Reib- und Verschleißwerte realisieren. Diese Arbeit zielt auf die Entwicklung von PBI (Polybenzimidazol)-Hochleitungsbeschichtungen für den Einsatz in tribologisch beanspruchten Systemen ab. Die gewonnenen Erkenntnisse ergänzen die bislang unzureichend beschriebenen bzw. erforschten Prozesse zur Herstellung von PBI-basierten Beschichtungen. Als Matrixmaterialien werden PBI sowie PAI (Polyamidimid) als Referenzsystem untersucht. Eine systematische Entwicklung von Lösungsprozessen bildet dabei das erste Prozessfenster zur Herstellung von gelöstem und flüssig verarbeitbarem PBI. Die Entwicklung der Temperprozesse, basierend auf thermischen Analysen mittels dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC), stellt in dieser Arbeit ein weiteres Prozessfenster der Beschichtungsherstellung dar. Die daraus resultierenden ungefüllten PBI-Schichten (ohne Füllstoffe) werden systematischen Untersuchungen unterzogen. Thermische Untersuchungen, wie Thermogravimetrie (TGA), die dynamisch-mechanisch-thermische Analyse (DMTA) sowie DSC-Messungen, veranschaulichen die hohe Temperaturbeständigkeit und damit ein breites Temperatureinsatzfenster der PBI-Beschichtungen. Tribologische Untersuchungsergebnisse, insbesondere der Gleitverschleißprüfungen an ungefüllten PBI-Beschichtungen, stellen dessen hervorragende tribologische Leistungsfähigkeit im Vergleich zu den am Markt etablierten PAI-Systemen dar. Begleitend zu tribologischen Analysen werden mechanische, thermische und strukturelle Untersuchungen durchgeführt und miteinander in Korrelation gebracht.Die Herstellung von PBI-PAI-Blends und die anschließenden tribologischen, mechanischen, thermischen und strukturellen Untersuchungen zeigen das Verbesserungspotential eines PAI-Systems durch die Zugabe von PBI-Anteilen. Die Ergebnisse zeigten, dass es möglich ist, ein PAI-System durch die Zugabe von PBI-Anteilen den speziellen Anwendungen entsprechend anzupassen. Die Modifizierung der PBI-Beschichtungen mit Füllstoffen wie Graphit, PTFE usw. sowie deren Bewertung anhand von Gleitverschleißuntersuchungen, bei Variation der Prüfparameter, ermöglichen einen direkten Vergleich mit marktetablierten PAI-Beschichtungscompound und einem kommerziell erhältlichen PBI-Halbzeug. Die ermittelten Messwerte verdeutlichen hierbei das Potential (Verschleißwiderstand, thermische Stabilität) von PBI-Beschichtungen in tribologisch hoch belasteten Systemen. Zur Verbesserung der Abrasivbeständigkeit werden die PBI-Beschichtungen mit harten Titancarbid-Partikeln verstärkt. Eine systematische Untersuchung der Abrasion sowie ein Modell zur Vorhersage des Abrasivverschleißes werden erarbeitet. A wide range of tribologically stressed components can be improved by using a surface coating. Coatings based on high-performance polymers and functional fillers lead to low friction and wear in tribological systems. The objective of this work is the development of high performance coatings based on polybenzimidazole for tribologically stressed systems. The investigations should complete the inadequately described or researched processes for the production of PBI-based coatings. The matrix materials investigated are PBI and PAI (reference system). The systematic development of solution processes represents the first process window for the production of dissolved and liquid processable PBI. The development of annealing processes, based on thermal analyzes (DSC), represents an additional process window of coating production in this work. The resulting pure PBI coatings (without fillers) are subjected to systematic investigations. Thermal characterizations such as Thermogravimetry (TGA), Dynamic Mechanical Thermal Analysis (DMTA) and Differential Scanning Calorimetry (DSC) measurements demonstrate the high temperature resistance and a wide temperature range of PBI coatings. Tribological test results, in particular the sliding wear tests on pure PBI coatings, show their outstanding tribological performance in comparison to the PAI systems established on the market. Accompanying to tribological analyzes, mechanical, thermal and structural investigations are carried out and correlated with each other. The preparation of PBI-PAI blends and the subsequent tribological, mechanical, thermal and structural investigations show the potential for improvement of a PAI system by the addition of PBI fractions. The possibility of adapting a PAI system to the relevant applications by adding PBI fractions to reduce the high material costs of the PBI polymer is presented in this work. The modification of the PBI coatings with fillers such as graphite, PTFE, etc. as well as the subsequent sliding wear tests, with variation of the test parameters (pressure and velocity-variation), allow a direct comparison with the market-established PAI coating compound and a commercially available PBI bulk material. The measured values illustrate the suitability of PBI coatings for tribologically highly loaded systems. To improve the abrasion resistance, the PBI coatings are reinforced with hard titanium carbide particles. Systematic investigations on the abrasion wear as well as a model for the prediction of the abrasive wear are developed.

Private data analytics systems preferably provide required analytic accuracy to analysts and specified privacy to individuals whose data is analyzed. Devising a general system that works for a broad range of datasets and analytic scenarios has proven to be difficult. Despite the advent of differentially private systems with proven formal privacy guarantees, industry still uses inferior ad-hoc mechanisms that provide better analytic accuracy. Differentially private mechanisms often need to add large amounts of noise to statistical results, which impairs their usability. In my thesis I follow two approaches to improve the usability of private data analytics systems in general and differentially private systems in particular. First, I revisit ad-hoc mechanisms and explore the possibilities of systems that do not provide Differential Privacy or only a weak version thereof. Based on an attack analysis I devise a set of new protection mechanisms including Query Based Bookkeeping (QBB). In contrast to previous systems QBB only requires the history of analysts’ queries in order to provide privacy protection. In particular, QBB does not require knowledge about the protected individuals’ data. In my second approach I use the insights gained with QBB to propose UniTraX, the first differentially private analytics system that allows to analyze part of a protected dataset without affecting the other parts and without giving up on accuracy. I show UniTraX’s usability by way of multiple case studies on real-world datasets across different domains. UniTraX allows more queries than previous differentially private data analytics systems at moderate runtime overheads.

In cyanobacteria and plants, VIPP1 plays crucial roles in the biogenesis and repair of thylakoid membrane protein complexes and in coping with chloroplast membrane stress. In chloroplasts, VIPP1 localizes in distinct patterns at or close to envelope and thylakoid membranes. In vitro, VIPP1 forms higher-order oligomers of >1 MDa that organize into rings and rods. However, it remains unknown how VIPP1 oligomerization is related to function. Using time-resolved fluorescence anisotropy and sucrose density gradient centrifugation, we show here that Chlamydomonas reinhardtii VIPP1 binds strongly to liposomal membranes containing phosphatidylinositol-4-phosphate (PI4P). Cryo-electron tomography reveals that VIPP1 oligomerizes into rods that can engulf liposomal membranes containing PI4P. These findings place VIPP1 into a group of membrane-shaping proteins including epsin and BAR domain proteins. Moreover, they point to a potential role of phosphatidylinositols in directing the shaping of chloroplast membranes.

Anisotropy of tracer-coupled networks is a hallmark in many brain regions. In the past, the topography of these networks was analyzed using various approaches, which focused on different aspects, e.g., position, tracer signal, or direction of coupled cells. Here, we developed a vector-based method to analyze the extent and preferential direction of tracer spreading. As a model region, we chose the lateral superior olive—a nucleus that exhibits specialized network topography. In acute slices, sulforhodamine 101-positive astrocytes were patch-clamped and dialyzed with the GJ-permeable tracer neurobiotin, which was subsequently labeled with avidin alexa fluor 488. A predetermined threshold was used to differentiate between tracer-coupled and tracer-uncoupled cells. Tracer extent was calculated from the vector means of tracer-coupled cells in four 90° sectors. We then computed the preferential direction using a rotating coordinate system and post hoc fitting of these results with a sinusoidal function. The new method allows for an objective analysis of tracer spreading that provides information about shape and orientation of GJ networks. We expect this approach to become a vital tool for the analysis of coupling anisotropy in many brain regions

Passive graduated filters with fixed absorption profile are currently used in image recording to avoid overexposure. However, a whole set of filters with prescribed gradients is required to cope with changing illumination conditions. Furthermore, they demand mechanical adjustment during operation. To overcome these deficiencies we present a microfabricated active electrochromic graduated filter which combines multiple functionalities: The overall absorbance, the position of medium transmission as well as the magnitude of its gradient can be tuned continuously by electrical means. Live image control is possible using low operation voltages in the range of ±2 V to reach a high change in optical density ΔOD of 1.01 (400 nm to 780 nm) with a coloration and bleaching time 1.3 s and 0.2 s, respectively. Owing to their low volume and power consumption they are suitable for widespread applications like in smartphones, surveillance cameras or microscopes.

Verkündungsblatt der TU Kaiserslautern Nr. 6/17.12.2019

We present a study of the dynamic magnetic properties of TiN-buffered epitaxial thin films of the Heusler alloy Fe1.5CoGe. Thickness series annealed at different temperatures are prepared and the magnetic damping is measured, a lowest value of α = 2.18 × 10−3 is obtained. The perpendicular magnetic anisotropy properties in Fe1.5CoGe/MgO are also characterized. The evolution of the interfacial perpendicular anisotropy constant K⊥S with the annealing temperature is shown and compared with the widely used CoFeB/MgO interface. A large volume contribution to the perpendicular anisotropy of (4.3 ± 0.5) × 105 J/m3 is also found, in contrast with vanishing bulk contribution in common Co- and Fe-based Heusler alloys.

Die räumliche Planung begegnet häufig Herausforderungen, zu deren Bewältigung nicht auf existierendes Wissen zurückgegriffen werden kann. Um neuartiges Wissen zu erzielen, werden insbesondere Modellvorhaben – kleinmaßstäbliche, befristete reale Feldexperimente – als Instrument eingesetzt. Diese zielen darauf ab, wiederverwendbares Wissen reproduzierbar zu erzeugen. Im Rahmen eines Modellvorhabens werden in verschiedenen Modellräumen vielfältige innovative Projekte initiiert, über einen festen Zeitraum umgesetzt sowie bewertet. Akademische oder private Institutionen begleiten Modellvorhaben wissenschaftlich, um allgemeingültige und übertragbare Erkenntnisse zu identifizieren. Die Ergebnisse dieser umfassenden Evaluation werden in einem Abschlussbericht dokumentiert. Erfahrungen zeigen allerdings, dass dies zur Verteilung der Ergebnisse nicht ausreicht, um die Nutzung und Wiederverwendung der in Modellvorhaben generierten Erkenntnisse sicherzustellen. Dies liegt insbesondere daran, dass die Abschlussberichte zu wenig anwendungsorientiert und zu umfangreich sind. So ist der Vergleich zwischen vorhandenen Berichten und einem laufenden Modellvorhaben mit einem zu hohen Aufwand verbunden, wodurch sich ein unausgeglichenes Aufwand-Ertrag-Verhältnis ergibt. Somit wird das Lernen aus Modellvorhaben erschwert. Um eine effektive und effiziente Dissemination und Verstetigung sowie Wiederverwendbarkeit von Wissen generiert in Modellvorhaben zu erzielen, wurde im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit ein Modell entwickelt. In einem ersten Schritt wurde für die Analyse von Modellvorhaben eine allgemeingültige Struktur geschaffen, die mit dem generellen Ablauf eines Projekts im Rahmen des Projektmanagements vergleichbar ist. Diese Struktur reduziert den Aufwand Erkenntnisse und Wissen jeweils für die folgenden hier definierten Phasen zu nutzen: Identifikation einer neuen Herausforderung; Projektaufruf; Bewerbungen der möglichen Teilnehmer; Bewertungen der Bewerbungen durch den Initiator; Durchführung; Auswertung; Dissemination, Transfer und Verstetigung. Im nächsten Schritt wurde in die einzelnen Phasen eines Modellvorhabens ein Wissensmanagementprozess – die Bausteine Wissensziele, -identifikation, -erwerb, - entwicklung, -bewertung, -bewahrung, -(ver)teilung und -nutzung – integriert, um die gemeinsame Nutzungseinheit vom umfassenden Abschlussbericht auf kleinere, in sich abgeschlossene Informationseinheiten zu reduzieren. Auf diese Weise wird der Aufwand für die Identifikation, den Erwerb und die Nutzung von Wissen verringert. Am Ende jeder Phase wird eine Bewertung durchgeführt sowie das erzielte Wissen effizient geteilt. Dafür ist eine systematische Interaktion zwischen Akteuren von Modellvorhaben und eine zentrale Sammlung des Wissens notwendig. Ein wesentliches Ergebnis dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuartigen Austauschinfrastruktur, die das generierte Wissen einerseits bewahrt und andererseits systematisch verteilt. Dadurch kann bereits im Verlauf eines Modellvorhabens gewonnenes Wissen ausgetauscht und wiederverwendet werden, sodass die Phase der Dissemination, Transfer und Verstetigung in den Prozess verschoben wird. Die Infrastruktur soll frei zugänglich sein und nutzerfreundlich gestaltet werden. Durch das entwickelte Modell wird eine effektive und effiziente Wiederverwendung von Wissen generiert in Modellvorhaben ermöglicht sowie eine belastbare Grundlage für neue Projekte in der räumlichen Planung geschaffen.

Using molecular dynamics simulations, the adsorption and diffusion of cisplatin drug molecules in nanopores is investigated for several inorganic materials. Three different materials are studied with widely-varying properties: metallic gold, covalent silicon, and silica. We found a strong influence of both the van der Waals and the electrostatic interaction on the adsorption behavior on the pore walls, which in turn influence the diffusion coefficients. While van der Waals forces generally lead to a reduction of the diffusion coefficient, the fluctuations in the electrostatic energy induced by orientation changes of the cisplatin molecule were found to help desorb the molecule from the wall.

Intensity regulation during whole-body electromyostimulation (WB-EMS) training is mostly controlled by subjective scales such as CR-10 Borg scale. To determine objective training intensities derived from a maximum as it is used in conventional strength training using the one-repetition-maximum (1-RM), a comparable maximum in WB-EMS is necessary. Therefore, the aim of this study was to examine, if there is an individual maximum intensity tolerance plateau after multiple consecutive EMS application sessions. A total of 52 subjects (24.1 ± 3.2 years; 76.8 ± 11.1 kg; 1.77 ± 0.09 m) participated in the longitudinal, observational study (38 males, 14 females). Each participant carried out four consecutive maximal EMS applications (T1–T4) separated by 1 week. All muscle groups were stimulated successively until their individual maximum and combined to a whole-body stimulation index to carry out a possible statement for the development of the maximum intensity tolerance of the whole body. There was a significant main effect between the measurement times for all participants (p < 0.001; ????2 = 0.39) as well as gender specific for males (p = 0.001; ????2 = 0.18) and females (p < 0.001; ????2 = 0.57). There were no interaction effects of gender × measurement time (p = 0.394). The maximum intensity tolerance increased significantly from T1 to T2 (p = 0.001) and T2 to T3 (p < 0.001). There was no significant difference between T3 and T4 (p = 1.0). These results indicate that there is an adjustment of the individual maximum intensity tolerance to a WB-EMS training after three consecutive tests. Therefore, there is a need of several habituation units comparable to the identification of the individual 1-RM in conventional strength training. Further research should focus on an objective intensity-specific regulation of the WB-EMS based on the individual maximum intensity tolerance to characterize different training areas and therefore generate specific adaptations to a WB-EMS training compared to conventional strength training methods.

Phase-gradient metasurfaces can be designed to manipulate electromagnetic waves according to the generalized Snell’s law. Here, we show that a phased parallel-plate waveguide array (PPWA) can be devised to act in the same manner as a phase-gradient metasurface. We derive an analytic model that describes the wave propagation in the PPWA and calculate both the angle and amplitude distribution of the diffracted waves. The analytic model provides an intuitive understanding of the diffraction from the PPWA. We verify the (semi-)analytically calculated angle and amplitude distribution of the diffracted waves by numerical 3-D simulations and experimental measurements in a microwave goniometer.

In this dissertation we apply financial mathematical modelling to electricity markets. Electricity is different from any other underlying of financial contracts: it is not storable. This means that electrical energy in one time point cannot be transferred to another. As a consequence, power contracts with disjoint delivery time spans basically have a different underlying. The main idea throughout this thesis is exactly this two-dimensionality of time: every electricity contract is not only characterized by its trading time but also by its delivery time. The basis of this dissertation are four scientific papers corresponding to the Chapters 3 to 6, two of which have already been published in peer-reviewed journals. Throughout this thesis two model classes play a significant role: factor models and structural models. All ideas are applied to or supported by these two model classes. All empirical studies in this dissertation are conducted on electricity price data from the German market and Chapter 4 in particular studies an intraday derivative unique to the German market. Therefore, electricity market design is introduced by the example of Germany in Chapter 1. Subsequently, Chapter 2 introduces the general mathematical theory necessary for modelling electricity prices, such as Lévy processes and the Esscher transform. This chapter is the mathematical basis of the Chapters 3 to 6. Chapter 3 studies factor models applied to the German day-ahead spot prices. We introduce a qualitative measure for seasonality functions based on three requirements. Furthermore, we introduce a relation of factor models to ARMA processes, which induces a new method to estimate the mean reversion speed. Chapter 4 conducts a theoretical and empirical study of a pricing method for a new electricity derivative: the German intraday cap and floor futures. We introduce the general theory of derivative pricing and propose a method based on the Hull-White model of interest rate modelling, which is a one-factor model. We include week futures prices to generate a price forward curve (PFC), which is then used instead of a fixed deterministic seasonality function. The idea that we can combine all market prices, and in particular futures prices, to improve the model quality also plays the major role in Chapter 5 and Chapter 6. In Chapter 5 we develop a Heath-Jarrow-Morton (HJM) framework that models intraday, day-ahead, and futures prices. This approach is based on two stochastic processes motivated by economic interpretations and separates the stochastic dynamics in trading and delivery time. Furthermore, this framework allows for the use of classical day-ahead spot price models such as the ones of Schwartz and Smith (2000), Lucia and Schwartz (2002) and includes many model classes such as structural models and factor models. Chapter 6 unifies the classical theory of storage and the concept of a risk premium through the introduction of an unobservable intrinsic electricity price. Since all tradable electricity contracts are derivatives of this actual intrinsic price, their prices should all be derived as conditional expectation under the risk-neutral measure. Through the intrinsic electricity price we develop a framework, which also includes many existing modelling approaches, such as the HJM framework of Chapter 5.

Radar cross section reducing (RCSR) metasurfaces or coding metasurfaces were primarily designed for normally incident radiation in the past. It is evident that the performance of coding metasurfaces for RCSR can be significantly improved by additional backscattering reduction of obliquely incident radiation, which requires a valid analytic conception tool. Here, we derive an analytic current density distribution model for the calculation of the backscatter far-field of obliquely incident radiation on a coding metasurface for RCSR. For demonstration, we devise and fabricate a metasurface for a working frequency of 10.66GHz and obtain good agreement between the measured, simulated, and analytically calculated backscatter far-fields. The metasurface significantly reduces backscattering for incidence angles between −40∘ and 40∘ in a spectral working range of approximately 1GHz.

3D joint kinematics can provide important information about the quality of movements. Optical motion capture systems (OMC) are considered the gold standard in motion analysis. However, in recent years, inertial measurement units (IMU) have become a promising alternative. The aim of this study was to validate IMU-based 3D joint kinematics of the lower extremities during different movements. Twenty-eight healthy subjects participated in this study. They performed bilateral squats (SQ), single-leg squats (SLS) and countermovement jumps (CMJ). The IMU kinematics was calculated using a recently-described sensor-fusion algorithm. A marker based OMC system served as a reference. Only the technical error based on algorithm performance was considered, incorporating OMC data for the calibration, initialization, and a biomechanical model. To evaluate the validity of IMU-based 3D joint kinematics, root mean squared error (RMSE), range of motion error (ROME), Bland-Altman (BA) analysis as well as the coefficient of multiple correlation (CMC) were calculated. The evaluation was twofold. First, the IMU data was compared to OMC data based on marker clusters; and, second based on skin markers attached to anatomical landmarks. The first evaluation revealed means for RMSE and ROME for all joints and tasks below 3°. The more dynamic task, CMJ, revealed error measures approximately 1° higher than the remaining tasks. Mean CMC values ranged from 0.77 to 1 over all joint angles and all tasks. The second evaluation showed an increase in the RMSE of 2.28°– 2.58° on average for all joints and tasks. Hip flexion revealed the highest average RMSE in all tasks (4.87°– 8.27°). The present study revealed a valid IMU-based approach for the measurement of 3D joint kinematics in functional movements of varying demands. The high validity of the results encourages further development and the extension of the present approach into clinical settings.

Modern applications in the realms of wireless communication and mobile broadband Internet increase the demand for compact antennas with well defined directivity. Here, we present an approach for the design and implementation of hybrid antennas consisting of a classic feeding antenna that is near-field-coupled to a subwavelength resonator. In such a combined structure, the composite antenna always radiates at the resonance frequency of the subwavelength oscillator as well as at the resonance frequency of the feeding antenna. While the classic antenna serves as impedance-matched feeding element, the subwavelength resonator induces an additional resonance to the composite antenna. In general, these near-field coupled structures are known for decades and are lately published as near-field resonant parasitic antennas. We describe an antenna design consisting of a high-frequency electric dipole antenna at fd=25 GHz that couples to a low-frequency subwavelength split-ring resonator, which emits electromagnetic waves at fSRR=10.41 GHz. The radiating part of the antenna has a size of approximately 3.2mm×8mm×1mm and thus is electrically small at this frequency with a product k⋅a=0.5 . The input return loss of the antenna was moderate at −18 dB and it radiated at a spectral bandwidth of 120 MHz. The measured main lobe of the antenna was observed at 60∘ with a −3 dB angular width of 65∘ in the E-plane and at 130∘ with a −3 dB angular width of 145∘ in the H-plane

The fifth-generation mobile telecommunication network is expected to support multi-access edge computing (MEC), which intends to distribute computation tasks and services from the central cloud to the edge clouds. Toward ultra-responsive, ultra-reliable, and ultra-low-latency MEC services, the current mobile network security architecture should enable a more decentralized approach for authentication and authorization processes. This paper proposes a novel decentralized authentication architecture that supports flexible and low-cost local authentication with the awareness of context information of network elements such as user equipment and virtual network functions. Based on a Markov model for backhaul link quality as well as a random walk mobility model with mixed mobility classes and traffic scenarios, numerical simulations have demonstrated that the proposed approach is able to achieve a flexible balance between the network operating cost and the MEC reliability.

Die Nachrechnung bestehender Bauwerke muss grundsätzlich auf Basis der aktuellen, bauaufsichtlich eingeführten technischen Baubestimmungen geführt werden. Dazu werden charakteristische Materialkennwerte der verwendeten Baustoffe benötigt. Im Rahmen einer Vordimensionierung kann die Betondruckfestigkeit durch Umrechnung von aus der Herstellzeit dokumentierten Werten abgeschätzt werden. Für eine abgesicherte Nachrechnung hingegen muss die charakteristische Betondruckfestigkeit durch Untersuchungen am Bauwerk ermittelt werden, um den Einfluss verschiedener last- oder zeitabhängiger Prozesse zu erfassen. Zur statistischen Bewertung der experimentell ermittelten Werte der In-situ-Betondruckfestigkeit existieren verschiedene Verfahren. Besonders bei kleinem Stichprobenumfang führen die bisher gebräuchlichen Verfahren nach DIN EN 1990:2010-12 und DIN EN 13791:2008-05 jedoch teilweise zu ingenieurmäßig als kritisch einzustufenden Ergebnissen, welche die tatsächliche In-situ-Betondruckfestigkeit erheblich über- oder unterschätzen können. Aufbauend auf Untersuchungen an realen, umfangreichen Datensätzen wurde in dieser Arbeit ein neues Verfahren mit den vom Stichprobenumfang und dem Variationskoeffizienten abhängigen modifizierten Ansätzen A und B zur Bestimmung der charakteristischen In-situ-Betondruckfestigkeit, basierend auf experimentell, mit direkten Prüfverfahren ermittelten Einzelwerten, entwickelt. Zur Bestimmung des Nachrechnungswertes der Betondruckfestigkeit gilt es über den charakteristischen Wert der In-situ-Betondruckfestigkeit hinaus auch noch den Unterschied zwischen Bauwerks- und Normprobekörperdruckfestigkeit sowie den Einfluss von Dauerstandseffekten zu bewerten. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass bei Bestandsbetonen, wie auch bereits im Neubaufall, das Verhältnis zwischen Bauwerks- und Normprobekörperfestigkeit ca. 0,85 beträgt. Auch bei der experimentellen Ermittlung der In-situ-Betondruckfestigkeit an aus dem Bauwerk entnommenen Proben ist der Unterschied zwischen Kurzzeit- und Dauerstandsfestigkeit mit dem im Neubaufall gebräuchlichen Faktor αcc = 0,85 zu berücksichtigen. Neben der Druckfestigkeit, ist im Rahmen der Nachrechnung von Bestandsbauwerken auch teilweise die Zugfestigkeit oder der Elastizitätsmodul von Bestandsbetonen zu bewerten. Die in DIN EN 1992-1-1:2011-01 enthaltenen Beziehungen zwischen Druck- und Zugfestigkeit sowie zwischen Druckfestigkeit und Elastizitätsmodul sind jedoch ausschließlich für im Neubaufall verwendete Betone nach DIN EN 206-1:2001-07 ausgelegt. Die Untersuchungen zeigen, dass die in DIN EN 1992-1-1:2011-01 enthaltene Korrelation zwischen Druck- und Zugfestigkeit auch zur groben Abschätzung der Zugfestigkeit von Bestandsbetonen verwendet werden kann. Im Einzelfall sind jedoch auch große Abweichungen nicht auzuschließen. Bedingt durch den großen Einfluss der Gesteinskörnung ist nur eine sehr grobe Abschätzung des Elastizitätsmoduls aus der In-situ-Betondruckfestigkeit möglich.

Die vorliegende Master-Arbeit untersucht die Problemstellung, wie eine Einzelschule einen konkreten Beitrag zur Fortbildung ihrer Lehrkräfte vor dem Hintergrund des digitalen Wandels leisten kann. Im theoretischen Teil wird zunächst die Rolle von digitalen Medien im Unterricht näher untersucht. Dabei wird deutlich, dass ihre Potenziale erst dann zu einem Mehrwert für das Lernen der Schülerinnen und Schüler werden, wenn die folgenden zentralen Voraussetzungen erfüllt sind: Erstens wird eine funktionstüchtige technische Infrastruktur benötigt. Zweitens müssen rechtliche Grundfragen zur Nutzung digitaler Medien im Unterricht geklärt sein. Drittens führen digitale Medien erst dann zu einem Mehrwert, wenn sowohl bei Lernenden als auch bei Lehrenden ausreichend Medienkompetenz vorhanden ist. An die Formulierung dieser Voraussetzungen knüpfen sich im Theorieteil der Arbeit weitere Schlussfolgerungen: Erstens muss die Vermittlung von Medienkompetenz als Bildungsziel von Schule angesehen werden. Zweitens müssen Lehrkräfte neben der eigenen Medienkompetenz auch über medienpädagogische Kompetenz verfügen, damit sie in der Lage sind, digitale Medien sinnvoll und lernförderlich im Unterricht einzusetzen. Da aber viele Lehrende bislang nicht hinreichend ausgebildet wurden, kommt der Lehrkräftefortbildung hier eine besondere Rolle zu und daher kann sie als Grundvoraussetzung für Bildung in der digitalen Welt gesehen werden. Eine gelingende Lehrkräftefortbildung zur Digitalisierung muss eingebettet sein in den spezifischen Schulentwicklungskontext einer Einzelschule. Da die jeweiligen Voraussetzungen von Schule zu Schule sehr unterschiedlich sind, kann es hier keine Patentlösung geben, welche „von oben“ auf alle Schulen übergestülpt wird. Dabei spielt die Schulleitung vor Ort erwartungsgemäß eine entscheidende Rolle. Im Praxisteil der Master-Arbeit werden die Vorbedingungen und Vorüberlegungen an einer konkreten Einzelschule skizziert, die sich auf den Weg machte, den digitalen Wandel systematisch im Rahmen der Schulentwicklung zu gestalten. Ein Meilenstein dieses Entwicklungsprozesses stellt die Ausrichtung eines regionalen Fortbildungstages für Lehrkräfte zur „Digitalen Ethik“ dar. Anhand der Schulentwicklungsdimensionen nach Zylka (2018) wird im weiteren Verlauf der Arbeit aufgezeigt, warum dieser Fortbildungstag einen entscheidenden Beitrag zur Schulentwicklung leistet. Im Schlussteil vergleicht der Autor im Rahmen eines selbstkritischen Zwischenberichts inwiefern die Einzelschule hier die typischen Fehler der Schulentwicklung begangen hat, wie sie von Horster (2011) beschrieben worden sind.

Die Teilnahme an Weiterbildung wird immer beliebter und seit geraumer Zeit auch auf einem kontinuierlich hohen Niveau nachgefragt. Zunehmend agieren auch immer mehr Hochschulen als Anbieter auf dem Weiterbildungsmarkt, deren Relevanz durch die Bologna-Reform und der bildungspolitischen Betonung der Strategie einer Recurrent Education untermauert wurde. Die Lernenden, die als lebenslang Lernende auch im Erwachsenenalter in ihre Zukunft investieren, gelten als weiterbildungsaffine Teilnehmende, die über eine Vielzahl an gesammelten biographischen Lern- und Berufserfahrungen verfügen und häufig berufs- und lebensbegleitend wissenschaftliche Weiterbildung partizipieren. Über eine Kosten-Nutzen-Kalkulation von Weiterbildungsteilnahmen hinaus, stehen seit der Bologna-Reform neben den Lernergebnissen gleichsam die durch die Teilnahmen erzielten Weiterbildungswirkungen als Outcome im Fokus. Der bildungspolitische Blick auf diesen wissensbasierten Outcome bedeutet auch, stärker die individuelle Kompetenzbilanz der Teilnehmenden bei der Betrachtung ihrer Bildungsbemühungen einzubeziehen. Wenn bei der Beurteilung wirksamer Weiterbildungsteilnahmen vor allem die Lernenden und deren Kompetenzentwicklung im Mittelpunkt stehen, stellt sich die Frage, welche nachhaltigen und langfristigen Effekte die Lernenden selbst der Weiterbildung zurechnen und erlebbar auch als Erweiterung der eigenen Handlungsvielfalt wahrnehmen. Die hiesige Interviewstudie, angesiedelt im Feld der Teilnehmerforschung, rekonstruiert typische Handlungsmuster als Aneignungsperformanz von Fernstudierenden im angeleiteten Selbststudium und interpretiert diese im Hinblick auf die wahrgenommene Kompetenzentwicklung durch die Weiterbildung. Damit ist das Ziel verbunden Hinweise für die Gestaltung outcomeorientierter Lehr-Lernarrangements zu erarbeiten.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Modifikation duroplastischer, kalthärtender Organomineralharzmatrices für glas- und basaltfaserverstärkte Kunststoffe, welche zukünftig Anwendung in der Kurzliner-Sanierung defekter und korrosiv belasteter Rohrleitungen finden sollen. Bei dem heute zur Anwendung kommenden, so genannten 3P-Harz (Polyisocyanat, Polykieselsäure, Phosphat), dienen organische Phosphorsäureester als Emulgatoren der reaktiven PMDI/WG-Emulsion. Diese unterliegen jedoch der Gefahr, durch die EU-Verordnung REACH (EG-Nr. 1907/2006) restriktiert zu werden. Es wird gezeigt, dass die Substitution der organischen Phosphorsäureester durch epoxidiertes Leinsamenöl (ELO) aus nachwachsenden Rohstoffen ohne Einbußen der Verarbeitbarkeit und der (bruch-)mechanischen Eigenschaften möglich ist. Dadurch bleibt eine REACH-Konformität des Harzsystems gewährleistet. Die weitergehende gezielte Modifikation der in situ mit Polysilikatpartikeln gefüllten Polyharnstoffharze mittels silan-terminierter Polymere (STP) führt außerdem zu Verbesserungen der Bruchzähigkeit durch Matrix/Partikel-Brückenbildungen. Gegenüber dem phosphathaltigen Stand der Technik Harz wird durch die entwickelten 2P-Matrices (Polyisocyanat, Polykieselsäure) eine erhöhte Schadenstoleranz in GFK wie auch in neuartigen BFK nachgewiesen. Ferner wird die Dauerhaftigkeit erhöht und ein unerwünschtes Ausdiffundieren phosphathaltiger, umweltbelastender Emulgatoren wird vermieden. Es werden synergistische Effekte wirksam, welche aufgrund der STP-Modifikation in GFK und neuartigen BFK zu einer verbesserten Faser/Matrix-Haftung und somit einer erhöhten Lebensdauer führen. Der Einsatz von glasähnlichen aber thermisch- und korrosionsbeständigen Basaltfasern, welche in energiearmen Prozessen aus natürlichem Lavagestein gewonnen werden, wird positiv bewertet.

Planar force or pressure is a fundamental physical aspect during any people-vs-people and people-vs-environment activities and interactions. It is as significant as the more established linear and angular acceleration (usually acquired by inertial measurement units). There have been several studies involving planar pressure in the discipline of activity recognition, as reviewed in the first chapter. These studies have shown that planar pressure is a promising sensing modality for activity recognition. However, they still take a niche part in the entire discipline, using ad hoc systems and data analysis methods. Mostly these studies were not followed by further elaborative works. The situation calls for a general framework that can help push planar pressure sensing into the mainstream. This dissertation systematically investigates using planar pressure distribution sensing technology for ubiquitous and wearable activity recognition purposes. We propose a generic Textile Pressure Mapping (TPM) Framework, which encapsulates (1) design knowledge and guidelines, (2) a multi-layered tool including hardware, software and algorithms, and (3) an ensemble of empirical study examples. Through validation with various empirical studies, the unified TPM framework covers the full scope of application recognition, including the ambient, object, and wearable subspaces. The hardware part constructs a general architecture and implementations in the large-scale and mobile directions separately. The software toolkit consists of four heterogeneous tiers: driver, data processing, machine learning, visualization/feedback. The algorithm chapter describes generic data processing techniques and a unified TPM feature set. The TPM framework offers a universal solution for other researchers and developers to evaluate TPM sensing modality in their application scenarios. The significant findings from the empirical studies have shown that TPM is a versatile sensing modality. Specifically, in the ambient subspace, a sports mat or carpet with TPM sensors embedded underneath can distinguish different sports activities or different people's gait based on the dynamic change of body-print; a pressure sensitive tablecloth can detect various dining actions by the force propagated from the cutlery through the plates to the tabletop. In the object subspace, swirl office chairs with TPM sensors under the cover can be used to detect the seater's real-time posture; TPM can be used to detect emotion-related touch interactions for smart objects, toys or robots. In the wearable subspace, TPM sensors can be used to perform pressure-based mechanomyography to detect muscle and body movement; it can also be tailored to cover the surface of a soccer shoe to distinguish different kicking angles and intensities. All the empirical evaluations have resulted in accuracies well-above the chance level of the corresponding number of classes, e.g., the `swirl chair' study has classification accuracy of 79.5% out of 10 posture classes and in the `soccer shoe' study the accuracy is 98.8% among 17 combinations of angle and intensity.

Topological insulators (TI) are a fascinating new state of matter. Like usual insulators, their band structure possesses a band gap, such that they cannot conduct current in their bulk. However, they are able to conduct current along their edges and surfaces, due to edge states that cross the band gap. What makes TIs so interesting and potentially useful are these robust unidirectional edge currents. They are immune to significant defects and disorder, which means that they provide scattering-free transport. In photonics, using topological protection has a huge potential for applications, e.g. for robust optical data transfer [1-3] – even on the quantum level [4, 5] – or to make devices more stable and robust [6, 7]. Therefore, the field of topological insulators has spread to optics to create the new and active research field of topological photonics [8-10]. Well-defined and controllable model systems can help to provide deeper insight into the mechanisms of topologically protected transport. These model systems provide a vast control over parameters. For example, arbitrary lattice types without defects can be examined, and single lattice sites can be manipulated. Furthermore, they allow for the observation of effects that usually happen at extremely short time-scales in solids. Model systems based on photonic waveguides are ideal candidates for this. They consist of optical waveguides arranged on a lattice. Due to evanescent coupling, light that is inserted into one waveguide spreads along the lattice. This coupling of light between waveguides can be seen as an analogue to electrons hopping/tunneling between atomic lattice sites in a solid. The theoretical basis for this analogy is given by the mathematical equivalence between Schrödinger and paraxial Helmholtz equation. This means that in these waveguide systems, the role of time is assigned to a spatial axis. The field evolution along the waveguides' propagation axis z thus models the temporal evolution of an electron's wave-function in solid states. Electric and magnetic fields acting on electrons in solids need to be incorporated into the photonic platform by introducing artificial fields. These artificial gauge fields need to act on photons in the same way that their electro-magnetic counterparts act on electrons. E.g., to create a photonic analogue of a topological insulator the waveguides are bent helically along their propagation axis to model the effect of a magnetic field [3]. This means that the fabrication of these waveguide arrays needs to be done in 3D. In this thesis, a new method to 3D micro-print waveguides is introduced. The inverse structure is fabricated via direct laser writing, and subsequently infiltrated with a material with higher refractive index contrast. We will use these model systems of evanescently coupled waveguides to look at different effects in topological systems, in particular at Floquet topological systems. We will start with a topologically trivial system, consisting of two waveguide arrays with different artificial gauge fields. There, we observe that an interface between these trivial gauge fields has a profound impact on the wave vector of the light traveling across it. We deduce an analog to Snell's law and verify it experimentally. Then we will move on to Floquet topological systems, consisting of helical waveguides. At the interface between two Floquet topological insulators with opposite helicity of the waveguides, we find additional trivial interface modes that trap the light. This allows to investigate the interaction between trivial and topological modes in the lattice. Furthermore, we address the question if topological edge states are robust under the influence of time-dependent defects. In a one-dimensional topological model (the Su-Schrieffer-Heeger model [11]) we apply periodic temporal modulations to an edge wave-guide. We find Floquet copies of the edge state, that couple to the bulk in a certain frequency window and thus depopulate the edge state. In the two-dimensional Floquet topological insulator, we introduce single defects at the edge. When these defects share the temporal periodicity of the helical bulk waveguides, they have no influence on a topological edge mode. Then, the light moves around/through the defect without being scattered into the bulk. Defects with different periodicity, however, can – likewise to the defects in the SSH model – induce scattering of the edge state into the bulk. In the end we will briefly highlight a newly emerging method for the fabrication of waveguides with low refractive index contrast. Moreover, we will introduce new ways to create artificial gauge fields by the use of orbital angular momentum states in waveguides.

Die Entwicklung des ersten 3D-druckbaren Smartphonephotometers zur Erfassung kinetischer und statischer Messdaten enzymatischer und chemischer Reaktionen am Smartphone ohne den Einsatz zusätzlicher elektronischer Komponenten oder aufwändiger optischer Komponenten wird vorgestellt. Die Entwicklung erfolgt sowohl im Bereich der Umweltanalytik zum Nachweis von Schwermetallbelastungen in Gewässerproben im Rahmen von Citizen Sciences Anwendungen als auch als point of need Analysesystem zum industriellen Einsatz in Winzereibetrieben unter jeweils angepassten Zielsetzungen und Beispielsystemen. Für die verschiedenen Anwendungsbereiche werden unterschiedliche Systeme mit angepassten Zielsetzungen entwickelt. Ein küvettenbasiertes System wird in Hinblick auf die Anforderungen des Citizen Sciences Bereichs entwickelt. Ein kapillarbasiertes Smartphonephotometer und –nephelometer wird entwickelt um den Anforderungen in Winzereibetrieben optimal zu entsprechen. Verwendung finden im Bereich der Umweltanalytik enzymatische Assay, die in herkömmlichen Küvetten durchgeführt werden. Die Assays beruhen auf der Erfassung inhibitorischer Effekte auf die Aktivität von Enzymen und Enzymkaskaden durch Schwermetallbelastungen in Gewässerproben. Im Anwendungsfeld der Weinanalytik werden chemisch Parameter am Smartphonephotometer bestimmt. Die photometrische Analyse wird in vorkonfektionierbaren Assaykapillaren durchgeführt. Dies ermöglicht die Realisierung minimaler Anforderungen an die durchführenden Personen bei maximaler Reproduzierbarkeit der Untersuchungsergebnisse. Die Smartphonephotometer sind unter Verwendung der smartphoneeigenen Blitzlicht-LED als Lichtquelle in der Lage Änderungen der Extinktion in den Wellenlängenbereichen von 410-545 nm, 425-650 und 555-675 nm zu quantifizieren. Die Einschränkung der spezifischen Wellenlänge wird durch die inhomogenen Emissionsspektren der LED der Blitzlicht-LED des Smartphones verursacht. Nephelometrische Trübungsmessungen können bis zu einer Trübung von 250 FNU quantitativ durchgeführt werden.

Die vorliegende Arbeit lässt sich in drei Themengebiete unterteilen. Jedes davon kann durch ein Übergangsmetall der sechsten Nebengruppe repräsentiert werden. Ein Vertreter der sperrigen Alkylcyclopentadienyl-Liganden wurde stets als Hilfsligand verwendet. Mehr als 40 Komplexe des Chroms, Molybdäns und Wolframs mit sperrigen Cyclopentadienyl-Liganden konnten im Rahmen dieser Arbeit hergestellt und untersucht werden. Die meisten Strukturmotive konnten dabei röntgenkristallographisch aufgeklärt werden. Mit dem synthetisch und sterisch besonders aufwändigen Pentaisopropyl-cyclopentadienyl-Liganden konnten allein sieben Chromkomplexe hergestellt und charakterisiert werden. Eine sehr hohe Reaktivität der Ausgangsverbindungen der Form [RCpCr(µ-Br)]2 mit RCp = Cp’’’ und 5Cp gegenüber Nucleophilen zeigte sich in Umsetzungen mit Natrium-cyclopentadieniden, Natrium-bis(trimethylsilyl)amid, einem N-heterocylischen Carben, unterschiedlichen Natrium-phenolaten, Natrium-phenylacetylid, unterschiedlichen Grignard-Reagenzien, Lithiumaluminiumhydrid, Natriumazid und Kaliumcyanid. Gemischt substituierte Pentaalkyl-Chromocene [Cp’’’CrCp’’] und [5CpCrCp] mit unterschiedlich substituierten Hilfsliganden konnten erfolgreich synthetisiert werden. Mit sperrigen Nucleophilen oder mit einem sperrigen N-heterocyclischen Carbenliganden wurden die Einkernkomplexe [RCpCrYL] mit der Kombination aus einem anionischen Liganden Y und einem neutralen Donorliganden L (Y/L = Br/NHC, CH3/NHC, N(SiMe3)2/THF und O(tBu)2C6H3/THF) gebildet. Die Umsetzungen der Chrom(II)-Ausgangsverbindungen mit Phenolato-Liganden lieferten Produkte mit unterschiedlichen Strukturmotiven je nach Sperrigkeit der Substituenten am aromatischen Sechsring des eingesetzten Liganden. Dabei konnte neben dem Einkernkomplex [Cp’’’Cr(O(tBu)2C6H3)(THF)] eine Zweikernverbindung [Cp’’’Cr(µ-OPh)]2 isoliert und kristallographisch aufgeklärt werden. Die µ,η1:η2-Koordination der Phenylacetylido-Brücken des Zweikernkomplexes [Cp’’’Cr(µ,η1:η2-C≡CPh)]2 konnte mittels Röntgenstrukturanalyse belegt werden. Die Umsetzungen der Bromido-verbrückten Ausgangsverbindungen mit Me- oder Ph-MgX erfolgten unter Bildung entsprechender Zweikernkomplexe mit Alkyl- oder Aryl-Brückenliganden. Beim Einsatz von Et- oder iPr-MgX gelang durch eine β-H-Eliminierung ein Zugang zu einer Hydrido-Spezies des Chroms mit der Form [RCpCr(µ-H)]2 mit RCp = Cp’’’ und 5Cp. Die Vierkernkomplexe [Cp’’’Cr(µ-X)]4 entstanden mit dem linear verbrückenden Cyanid oder mit Tetrahydridoaluminat als Nucleophil. [(Cp’’’Cr)3(µ3-N)4(CrBr)] wurde durch eine Umsetzung mit Azid unter Abspaltung von Distickstoff erhalten. Ein Vertreter der Molybdän-Komplexe mit Acetato-Brücken [Cp’’Mo(µ-OAc)]2 konnte erhalten und anschließend mit Trimethylbromsilan weiter umgesetzt werden. Eine Oxidation der Metallzentren zu Molybdän(III) anstelle eines Austausches der verbrückenden Acetato-Liganden wurde dabei beobachtet. Wolfram-Komplexe der Form [RCpW(CO)3CH3] mit RCp = Cp’’, Cr’’’, 23Cp und 4Cp wurden zunächst ausgehend von W(CO)6 synthetisiert und anschließend mit PCl5 und PBr5 halogeniert. Die isolierten Komplexe [RCpWCl4] und [RCpWBr4] mit RCp = Cp’’, Cr’’’, 23Cp und 4Cp konnten in guten Ausbeuten erhalten werden. Anschließende Reduktionen mit Mangan lieferten Zweikernkomplexe des Wolframs mit verbrückenden Halogenido-Liganden [RCpW(µ-Cl)2]2 und [RCpW(µ-Br)2]2 mit RCp = Cp’’, Cr’’’ und 4Cp. Neben [Cp’’W(CO)2(µ-I)]2 konnte durch Reduktion von [Cp’’W(CO)2I3] auch ein Vertreter der „semibridging“-Komplexe, [Cp’’W(CO)2]2, erhalten werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden im ersten von vier Teilen fünf Brønsted-saure, mesoporöse Organokieselgele synthetisiert, vier auf Basis eines BTEB-PMOs und eines auf der eines SBA-15s. Diese wiesen hohe spezifische Oberflächen zwischen 581 und 710 m2/g auf und geordnete, 2D-hexagonale Strukturen. Drei dieser Materialien wurden näher auf ihre Eigenschaft als Katalysator untersucht. Während sie in Kondensationsreaktionen geringe bis moderate Aktivität zeigten, erbrachte das SO3H-BTEB-PMO in der THP-Schützung von Isoamylalkohol und Phenol bereits nach 10 min mit nur 0.1 mol-% Katalysator einen vollständigen Umsatz. In den entsprechenden Entschützungen war die Aktivität vergleichbar mit der von pTsOH. Der Katalysator konnte mehrmals regeneriert werden, ohne dabei erheblich an Aktivität zu verlieren. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde das SO3H-BTEB-PMO dazu genutzt, um vier kationisch funktionalisierte Phenothiazine zu immobilisieren. Die Phenothiazine wurden allesamt in Kooperation im Rahmen des DFG-Projekts TH 550/20-1 von M.Sc. Hilla Khelwati im Arbeitskreis von Prof. Dr. T. J. J. Müller an der HHU Düsseldorf synthetisiert. So konnten neuartige, redoxaktive Hybridmaterialien mit spezifischen Oberflächen zwischen 500 und 688 m2/g, 2D-hexagonaler Struktur und Phenothiazin-Beladungen zwischen 167 und 243 µmol/g erhalten werden. Die Umwandlung in ihre stabilen Radikalkationen gelang durch gezielte Bestrahlung mit Licht, wobei selbst nach zehn Monaten Lagerung im Dunkeln noch radikalische Spezies in nur gering verminderter Intensität detektiert werden konnten. Zwei weitere, kationisch funktionalisierte Phenothiazine wurden nach demselben Prinzip auf BTEB-NP immobilisiert. Dabei besaßen die beiden Organokieselgele spezifische Oberflächen von 335 und 565 m2/g und Phenothiazin-Beladungen von 394 bzw. 137 µmol/g. Die letzten beiden Phenothiazine, diesmal mit Triethoxysilylgruppen versehen, wurden mittels Grafting auf das BTEB-NP-Gerüst aufgebracht, wobei diese chemisch oxidiert werden mussten, um stabile Radikalkationen zu erhalten. Es zeigte sich, dass bei der Bestrahlung mit Licht bei den kationisch funktionalisierten Phenothiazinen die Umgebung innerhalb der Pore für die beobachtete Stabilität der Radikalkationen essentiell ist, welche bei den gegrafteten Phenothiazinen nicht gegeben war. Die Hybridmaterialien mit den gegrafteten Phenothiazinen besaßen Oberflächen von 172 und 920 m2/g und Phenothiazin-Beladungen von 809 bzw. 88.9 µmol/g. Der dritte Bereich beschäftigte sich mit der Synthese eines epi-Chinin-BTEB-PMOs für die Anwendung in der Katalyse der Mannich-Reaktion von Ketiminen mit dem Nucleophil 2,4-Pentandion. Dabei konnten hohe Umsätze zwischen 73 und 98%, bei Stereoselektivitäten zwischen 69 und 98% ee, erhalten werden. Das mesoporöse Katalysatorsystem besaß eine spezifische Oberfläche von 812 m2/g, eine 2D-hexagonale Struktur und eine Beladung an aktiven Zentren von 151 µmol/g. Der Katalysator konnte mehrmals regeneriert werden, bei leichten Einbußen im Umsatz und gleichbleibender Selektivität. Im vierten und letzten Abschnitt wurden Möglichkeiten untersucht, Vanadium- und Aluminium-Spezies in das BTEB-PMO-Grundgerüst zu inkorporieren, um somit Katalysatoren für die Epoxidierung von Olefinen zu erhalten. Dabei konnte eine große Anzahl an Materialien erhalten werden, die jedoch keine geordnete Struktur aufwiesen und sich lediglich in der Epoxidierung von (Z)-Cycloocten sehr aktiv zeigten.

In der Masterarbeit werden aktuelle Gestaltungsmöglichkeiten für den Übergang vom Kindergarten in die Grundschule in Rheinland-Pfalz analysiert und mit dem Modell der schwedischen förskoleklass in Verbindung gebracht und ergänzt. Dabei wird die Frage beantwortet, welche Bedingungen die Institutionen im Elementar- und Primarbereich in Rheinland-Pfalz brauchen, um erfolgreich kooperieren zu können. In Schweden wurde die förskoleklass neu strukturiert, die ab Herbst 2018 obligatorisch für alle Kinder ab sechs Jahren ist. Zuvor war die Teilnahme auf freiwilliger Basis und die Pädagogen konnten Ziele selbst festlegen. Erkenntnisse aus dem schwedischen Modell der förskoleklass werden in Bezug zur Praxis in Rheinland-Pfalz gesetzt. Dabei werden theoretische Grundlagen zur Übergangsgestaltung und zu Kooperationsformen zwischen Elementar- und Primarbereich aus der deutschen und schwedischen Forschungsliteratur herausgearbeitet, verglichen, bewertet und in Bezug zur Praxis gesetzt, um zu erarbeiten, wie ein Übergangskonzept erfolgreich implementiert werden kann.

In computer graphics, realistic rendering of virtual scenes is a computationally complex problem. State-of-the-art rendering technology must become more scalable to meet the performance requirements for demanding real-time applications. This dissertation is concerned with core algorithms for rendering, focusing on the ray tracing method in particular, to support and saturate recent massively parallel computer systems, i.e., to distribute the complex computations very efficiently among a large number of processing elements. More specifically, the three targeted main contributions are: 1. Collaboration framework for large-scale distributed memory computers The purpose of the collaboration framework is to enable scalable rendering in real-time on a distributed memory computer. As an infrastructure layer it manages the explicit communication within a network of distributed memory nodes transparently for the rendering application. The research is focused on designing a communication protocol resilient against delays and negligible in overhead, relying exclusively on one-sided and asynchronous data transfers. The hypothesis is that a loosely coupled system like this is able to scale linearly with the number of nodes, which is tested by directly measuring all possible communication-induced delays as well as the overall rendering throughput. 2. Ray tracing algorithms designed for vector processing Vector processors are to be efficiently utilized for improved ray tracing performance. This requires the basic, scalar traversal algorithm to be reformulated in order to expose a high degree of fine-grained data parallelism. Two approaches are investigated: traversing multiple rays simultaneously, and performing multiple traversal steps at once. Efficiently establishing coherence in a group of rays as well as avoiding sorting of the nodes in a multi-traversal step are the defining research goals. 3. Multi-threaded schedule and memory management for the ray tracing acceleration structure Construction times of high-quality acceleration structures are to be reduced by improvements to multi-threaded scalability and utilization of vector processors. Research is directed at eliminating the following scalability bottlenecks: dynamic memory growth caused by the primitive splits required for high- quality structures, and top-level hierarchy construction where simple task par- allelism is not readily available. Additional research addresses how to expose scatter/gather-free data-parallelism for efficient vector processing. Together, these contributions form a scalable, high-performance basis for real-time, ray tracing-based rendering, and a prototype path tracing application implemented on top of this basis serves as a demonstration. The key insight driving this dissertation is that the computational power necessary for realistic light transport for real-time rendering applications demands massively parallel computers, which in turn require highly scalable algorithms. Therefore this dissertation provides important research along the path towards virtual reality.

Technische und gesellschaftliche Entwicklungen im Bereich der Digitalisierung und vor allem der künstlichen Systeme werden in der gutachterlichen Stellungnahme dargestellt. Im Mittelpunkt stehen Auswirkungen der digitalen Transformation für Politik und Verwaltung in Rhein-land-Pfalz, verschiedene technische Lösungen, Divergenzen zwischen ländlichem und urbanen Räumen sowie Zukunftsvorstellungen. Bei künstlicher Intelligenz handelt es sich um einen spezifischen Aspekt der Digitalisierung. Beide – Digitalisierung und Künstliche Intelligenz – gehen mit unterschiedlichen Facetten gesellschaftlichen Wandels einher, die in ihrer orts- und regionalspezifischen Einbettung zu untersuchen sind. Dabei ist es unabdingbar, sowohl die gesellschaftlichen als auch die technischen Innovationen aufeinander zu beziehen und diese in ihren Wechselwirkungen als eine sozio-technische Dynamik aufzufassen. Auf Grundlage eines umfassenden Literaturreviews wird ein Überblick über die aktuellen technischen Anwendungen bei der Künstlichen Intelligenz und der Digitalisierung gegeben (Maschinenlernen, Robotics, Deep Learning, Data Mining, Blockchain, etc). In den verschiedenen Siedlungsräumen in Rheinland-Pfalz kommen – teilweise in transdisziplinären Forschungsprojekten – die neuen digitalen Möglichkeiten bereits zum Einsatz, z.B. im Projekt Digitale Dörfer, in der Chemieindustrie oder bei Versuchen für autonomes Fahren. Anwendungsfelder in unterschiedlichen Lebensbereichen werden für die verschiedenen Regionen in Rheinland-Pfalz aufgezeigt. Das Verschmelzen von virtuellem und realem Raum sowie die Normalisierung digitaler Lebensstile führt auch zu wachsenden Erwartungen an die Digitalität von Verwaltung und Politik. Vorteile von KI in der Verwaltung können erleichterte Kontakte zu Bürgern, schnellere interne Kommunikationswege, eine Prozessoptimierung und die Vernetzung der Abteilungen und Ressorts sein. Die Autorinnen und Autoren der TU Kaiserslautern, Fachgebiet Stadtsoziologie, des Deut-schen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz DFKI und des Fraunhofer-Instituts für Experimentelles Software-Engineering IESE erarbeiteten in einem Expertenworkshop verschiedene Szenarien zur Darstellung der zukünftigen Lebenssituationen kommunaler Gemeinschaften unter der An- und Verwendung von Digitalisierungstechnologien und KI im Jahr 2050. Die Chancen und Risiken für die unterschiedlichen Regionen und Lebens-bereiche in Rheinland-Pfalz wurden in zwei extremen Varianten skizziert und einander gegenübergestellt. Während der Dystopie-Zustand eine Zukunft zeichnet, in der die Märkte von wenigen Global-Playern mit enormer Datenhoheit und aggressiven Geschäftsmodellen dominiert wer-den, zeigt der Utopie-Zustand eine von Teilhabe und Mitbestimmung geprägte, digitale Zukunft: Die digitale Transformation wird durch Politik und Gesellschaft gleichermaßen gesteuert, Bürger haben volle Datenhoheit und bestimmen individuell und situationsspezifisch, wann und welche Daten sie veröffentlichen möchten. Neue Möglichkeiten der Arbeitsgestaltung und neue Mobilitätsformen haben zu einer Flexibilisierung und Attraktivitätssteigerung hinsichtlich des Lebens und Arbeitens auf dem Land beigetragen. Ethische Grundprinzipien, gesellschaftliche, wirtschaftliche und politische Anforderungen werden somit mit den technologischen Potenzialen optimal in Einklang gebracht. Wie diese Stellungnahme anhand der entworfenen Utopie und Dystopie illustriert, ist die technische Entwicklung von gesellschaftlicher Steuerung und Regulierung abhängig. Vor diesem Hintergrund erfordert die digitale Transformation Gestaltungswillen, spezifische Kenntnisse und auch Regulierung. Bei Letzterem gilt es, sowohl die Daten als Rohmaterial für KI, die (digitale und KI-) Technologien selbst – ihre Entwicklung und Verwendung – sowie daraus resultierende Informationen bzw. Wissen zu unterscheiden. Die Empfehlung aus dem Gutachten lautet daher, Informationen über Potenziale und Risiken transparent zugänglich und bekannt zu machen, die Bevölkerung aktiv einzubinden und eine strukturierte Förderung zu leisten, um Insellösungen zu überwinden und stattdessen Standards und offene Infrastrukturen zu schaffen. Es besteht die Gefahr, dass sich beim Einführungsprozess nicht-legitimierte, von Spezialisten und der Privatwirtschaft dominierte Strukturen (Meta-Governance) etablieren. Insgesamt gilt beim Prozess der digitalen Transformation, dass Lösungen aus der vor-digitalen Ära nicht einfach auf heutige und zukünftige Probleme angewendet werden können. Ferner ist die Diversität der Situationen vor Ort bei der digitalen Transformation zu berücksichtigen. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund des ländlich geprägten Rhein-land-Pfalz von Bedeutung. Die örtlichen Verwaltungen unterliegen der digitalen Transformation ebenso wie andere Systeme und Lebensbereiche, sie sind in unterschiedlichem Maße in der Lage, die Chancen für lokale und regionale Interessen zu nutzen und ihre Interessen durchzusetzen. Kommunen und Landkreise benötigen Unterstützung, damit sie von anderen, z.B. Leuchtturm-Projekten, lernen und beraten werden können. Ein Gegenstromprinzip von zivilgesellschaftlichen bzw. lokalen Bottom-up-Prozessen und Top-down- Unterstützung durch das Land erscheint zielführend (z.B. im Tourismus). Bei der Bevölkerung sind bezogen auf KI und Digitalisierung aktuell gegensätzliche Tendenzen zu verzeichnen: Einerseits nehmen die Erwartungen an eine digitalisierte und moderne Verwaltung zu. Andererseits stoßen insbesondere als komplexer wahrgenommene Aspekte wie KI auf Vorbehalte. Bei einem verantwortungsvollen Umgang kann KI ihr Potenzial entfalten, indem die Algorithmen und eingeführte Technologien hinsichtlich der Gesetzeslage sowie ethischer und moralischer Überlegungen überwacht und gesteuert wer-den. Ein verantwortungsvoller Umgang mit Daten basiert auf aufgeklärten Entscheidern, informierten Bürgern und der Unterstützung von „bürgerschützenden Regeln”, die Miss-brauch grundsätzlich erschweren und Verstöße ahnden. Langfristige Aussagen über die konkrete Entwicklung und Auswirkung von KI und Digitalisierung lassen sich nicht treffen aufgrund der Geschwindigkeit und Sprunghaftigkeit der Entwicklungen. In Bildung und Wissenschaft sollten im Bereich von KI die Interdisziplinarität gestärkt, nachhaltige und langfristige Strukturen geschaffen werden, um die digitale Transformation begleitend und aktivierend zu erforschen.

In this thesis we consider the directional analysis of stationary point processes. We focus on three non-parametric methods based on second order analysis which we have defined as Integral method, Ellipsoid method, and Projection method. We present the methods in a general setting and then focus on their application in the 2D and 3D case of a particular type of anisotropy mechanism called geometric anisotropy. We mainly consider regular point patterns motivated by our application to real 3D data coming from glaciology. Note that directional analysis of 3D data is not so prominent in the literature. We compare the performance of the methods, which depends on the relative parameters, in a simulation study both in 2D and 3D. Based on the results we give recommendations on how to choose the methods´ parameters in practice. We apply the directional analysis to the 3D data coming from glaciology, which consist in the locations of air-bubbles in polar ice cores. The aim of this study is to provide information about the deformation rate in the ice and the corresponding thinning of ice layers at different depths. This information is substantial for the glaciologists in order to build ice dating models and consequently to give a correct interpretation of the climate information which can be found by analyzing ice cores. In this thesis we consider data coming from three different ice cores: the Talos Dome core, the EDML core and the Renland core. Motivated by the ice application, we study how isotropic and stationary noise influences the directional analysis. In fact, due to the relaxation of the ice after drilling, noise bubbles can form within the ice samples. In this context we take two classification algorithms into consideration, which aim to classify points in a superposition of a regular isotropic and stationary point process with Poisson noise. We introduce two methods to visualize anisotropy, which are particularly useful in 3D and apply them to the ice data. Finally, we consider the problem of testing anisotropy and the limiting behavior of the geometric anisotropy transform.

A measurement technique, i.e. reflectance anisotropy/difference spectroscopy (RAS/RDS), which had originally been developed for in-situ epitaxial growth control, is employed here for in-situ real-time etch-depth control during reactive ion etching (RIE) of cubic crystalline III/V semiconductor samples. Temporal optical Fabry-Perot oscillations of the genuine RAS signal (or of the average reflectivity) during etching due to the ever shrinking layer thicknesses are used to monitor the current etch depth. This way the achievable in-situ etch-depth resolution has been around 15 nm. To improve etch-depth control even further, i.e. down to below 5 nm, we now use the optical equivalent of a mechanical vernier scale– by employing Fabry-Perot oscillations at two different wavelengths or photon energies of the RAS measurement light – 5% apart, which gives a vernier scale resolution of 5%. For the AlGaAs(Sb) material system a 5 nm resolution is an improvement by a factor of 3 and amounts to a precision in in-situ etch-depth control of around 8 lattice constants.

In this thesis, we consider the problem of processing similarity queries over a dataset of top-k rankings and class constrained objects. Top-k rankings are the most natural and widely used technique to compress a large amount of information into a concise form. Spearman’s Footrule distance is used to compute the similarity between rankings, considering how well rankings agree on the positions (ranks) of ranked items. This setup allows the application of metric distance-based pruning strategies, and, alternatively, enables the use of traditional inverted indices for retrieving rankings that overlap in items. Although both techniques can be individually applied, we hypothesize that blending these two would lead to better performance. First, we formulate theoretical bounds over the rankings, based on Spearman's Footrule distance, which are essential for adapting existing, inverted index based techniques to the setting of top-k rankings. Further, we propose a hybrid indexing strategy, designed for efficiently processing similarity range queries, which incorporates inverted indices and metric space indices, such as M- or BK-trees, resulting in a structure that resembles both indexing methods with tunable emphasis on one or the other. Moreover, optimizations to the inverted index component are presented, for early termination and minimizing bookkeeping. As vast amounts of data are being generated on a daily bases, we further present a distributed, highly tunable, approach, implemented in Apache Spark, for efficiently processing similarity join queries over top-k rankings. To combine distance-based filtering with inverted indices, the algorithm works in several phases. The partial results are joined for the computation of the final result set. As the last contribution of the thesis, we consider processing k-nearest-neighbor (k-NN) queries over class-constrained objects, with the additional requirement that the result objects are of a specific type. We introduce the MISP index, which first indexes the objects by their (combination of) class belonging, followed by a similarity search sub index for each subset of objects. The number of such subsets can combinatorially explode, thus, we provide a cost model that analyzes the performance of the MISP index structure under different configurations, with the aim of finding the most efficient one for the dataset being searched.

Die Alterungsbeständigkeit und Sicherheit von geklebten Verbindungen sind von großer Bedeutung in industriellen Anwendungen. Die Ausfallwahrscheinlichkeit einer geklebten Verbindung nach einer bestimmten Zeit kann hierbei durch verschiedene Alterungseffekte, wie beispielsweise Temperatur und Luftfeuchtigkeit, beeinflusst werden. Die Korrelation der Ergebnisse aus beschleunigten Laboralterungstests mit dem Langzeitverhalten der Verbindungen unter Einsatzbedingungen bleibt häufig eine ungelöste Herausforderung. In der vorliegenden Arbeit wurden computerbasierte Methoden für die nichtlineare Regressionsanalyse, die Abschätzung der Zuverlässigkeit und die Vorhersage der Sicherheit auf experimentelle Daten angewendet, die durch beschleunigte Alterung von Zugscherproben sowie Substanz-Schulterproben generiert wurden. Die Modellierung des Alterungsverhaltens wurde mit kombinierten Funktionen in Anlehnung an die Modelle nach EYRING und PECK durchgeführt. Beide Modellierungsansätze erschienen hierbei geeignet zur Beschreibung der experimentellen Daten. Die Sicherheitsvorhersage wurde anhand der Versagenswahrscheinlichkeit sowie des Sicherheitsindex β allerdings auf Basis des EYRING-Modells durchgeführt, da dieses die experimentellen Daten der Referenzbedingung konservativer beschreibt.

Visualization is vital to the scientific discovery process. An interactive high-fidelity rendering provides accelerated insight into complex structures, models and relationships. However, the efficient mapping of visualization tasks to high performance architectures is often difficult, being subject to a challenging mixture of hardware and software architectural complexities in combination with domain-specific hurdles. These difficulties are often exacerbated on heterogeneous architectures. In this thesis, a variety of ray casting-based techniques are developed and investigated with respect to a more efficient usage of heterogeneous HPC systems for distributed visualization, addressing challenges in mesh-free rendering, in-situ compression, task-based workload formulation, and remote visualization at large scale. A novel direct raytracing scheme for on-the-fly free surface reconstruction of particle-based simulations using an extended anisoptropic kernel model is investigated on different state-of-the-art cluster setups. The versatile system renders up to 170 million particles on 32 distributed compute nodes at close to interactive frame rates at 4K resolution with ambient occlusion. To address the widening gap between high computational throughput and prohibitively slow I/O subsystems, in situ topological contour tree analysis is combined with a compact image-based data representation to provide an effective and easy-to-control trade-off between storage overhead and visualization fidelity. Experiments show significant reductions in storage requirements, while preserving flexibility for exploration and analysis. Driven by an increasingly heterogeneous system landscape, a flexible distributed direct volume rendering and hybrid compositing framework is presented. Based on a task-based dynamic runtime environment, it enables adaptable performance-oriented deployment on various platform configurations. Comprehensive benchmarks with respect to task granularity and scaling are conducted to verify the characteristics and potential of the novel task-based system design. A core challenge of HPC visualization is the physical separation of visualization resources and end-users. Using more tiles than previously thought reasonable, a distributed, low-latency multi-tile streaming system is demonstrated, being able to sustain a stable 80 Hz when streaming up to 256 synchronized 3840x2160 tiles and achieve 365 Hz at 3840x2160 for sort-first compositing over the internet, thereby enabling lightweight visualization clients and leaving all the heavy lifting to the remote supercomputer.

This manuscript presents a topology-based analysis and visualization framework that enables the effective exploration of feature evolution in large-scale simulations. Such simulations pose additional challenges to the already complex task of feature tracking and visualization, since the vast number of features and the size of the simulation data make it infeasible to naively identify, track, analyze, render, store, and interact with data. The presented methodology addresses these issues via three core contributions. First, the manuscript defines a novel topological abstraction, called the Nested Tracking Graph (NTG), that records the temporal evolution of features that exhibit a nesting hierarchy, such as superlevel set components for multiple levels, or filtered features across multiple thresholds. In contrast to common tracking graphs that are only capable of describing feature evolution at one hierarchy level, NTGs effectively summarize their evolution across all hierarchy levels in one compact visualization. The second core contribution is a view-approximation oriented image database generation approach (VOIDGA) that stores, at simulation runtime, a reduced set of feature images. Instead of storing the features themselves---which is often infeasable due to bandwidth constraints---the images of these databases can be used to approximate the depicted features from any view angle within an acceptable visual error, which requires far less disk space and only introduces a neglectable overhead. The final core contribution combines these approaches into a methodology that stores in situ the least amount of information necessary to support flexible post hoc analysis utilizing NTGs and view approximation techniques.

Im Rahmen der Untersuchungen zu dieser Dissertation sollten literaturbekannte sowie neue heterocyclische aromatische Liganden synthetisiert werden. Diese Liganden haben die Aufgabe, zwei Metalle in unmittelbarer Nähe zueinander zu komplexieren. Dies ebnet den Weg zum Studium kooperativer Effekte. Die vorliegende Dissertation gliedert sich in drei Themenbereiche, wobei jeweils die Synthese und Charakterisierung von drei verschiedenen Ligandensystemen (A: 4,6-Dimethyl-2-(4H-1,2,4-triazol-4-yl)pyrimidin, B: derivatisierter Dipyrimidinylliganden, C: 2-(Pyrimidin-2-yl)chinolin) sowie deren Komplexierung mit Übergangsmetallen der Gruppen VI, VIII-XI gesondert diskutiert werden. 4,6-Dimethyl-2-(4H-1,2,4-triazol-4-yl)pyrimidin kann vermutlich aus elektronischen Gründen nicht zweifach am Triazolfragment methyliert werden. Diese doppelte Methylierung wäre jedoch erforderlich, um N-heterocyclische Dicarbene zu generieren. Deshalb war der Zugang zu dinuklearen Komplexen über diesen Weg nicht möglich. Erste Hinweise zur erneuten Methylierung einer Triazolylidengruppe eines mono-NHC-Komplexes, der diesen Liganden trägt, wurden aber gefunden. Darüber hinaus wurden ein iridium- und ein rhodiumbasierter NHC-Komplex synthetisiert, welche die Transferhydrierung von Ketonen mit Isopropanol als Wasserstoffquelle katalysieren. Mit derivatisierten Dipyrimdinylliganden konnten erfolgreich roll-over cyclometallierte Komplexe generiert werden, die den Zugang zu homo- und heterodinuklearen Komplexen erlauben. Kooperative Effekte verschiedener dinuklearer Komplexe wurden mit Hilfe der UV/Vis-Spektroskopie detektiert. Die Interpretation dieser Effekte ist Gegenstand laufender und künftiger Arbeiten. Ein generelles Problem war die geringe Löslichkeit vieler der im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Metallkomplexe. Dadurch war eine Reihe weiterer dinuklearer Komplexe nicht zugänglich, mit denen ein vertieftes Verständnis kooperativer Effekte möglich gewesen wäre. Der Ligand 2-(Pyrimidin-2-yl)chinolin, sollte mit einem literaturbekannten Derivat von fac-Ir(ppy)3 im Sinne einer roll-over Cyclometallierung umgesetzt werden, um im nächsten Schritt an seiner freien N,N-Koordinationstasche ein zweites Metall zu binden. Auch dies hätte das Studium kooperativer Effekte erlaubt. Die roll-over cyclometallierte Verbindung wurde jedoch nicht erhalten. Es bildete sich ein N,N-koordinierter Komplex, der thermisch nicht in die C,N-Koordination umlagerte. In der Zukunft müssen an diesem Liganden weitere sterisch anspruchsvolle Gruppen eingeführt werden, um den roll-over Prozess voranzutreiben.

Der Bericht beinhaltet die Punkte "Informationstechnik und digitale Bibliothekstechnik" "Literatur- und Sachmittel", "Bewirtschaftung", "Medienbearbeitung", "Benutzung" und "Personelle Änderungen" innerhalb der Universitätsbibliothek Kaiserslautern für das Jahr 2018.

Shared memory concurrency is the pervasive programming model for multicore architectures such as x86, Power, and ARM. Depending on the memory organization, each architecture follows a somewhat different shared memory model. All these models, however, have one common feature: they allow certain outcomes for concurrent programs that cannot be explained by interleaving execution. In addition to the complexity due to architectures, compilers like GCC and LLVM perform various program transformations, which also affect the outcomes of concurrent programs. To be able to program these systems correctly and effectively, it is important to define a formal language-level concurrency model. For efficiency, it is important that the model is weak enough to allow various compiler optimizations on shared memory accesses as well as efficient mappings to the architectures. For programmability, the model should be strong enough to disallow bogus “out-of-thin-air” executions and provide strong guarantees for well-synchronized programs. Because of these conflicting requirements, defining such a formal model is very difficult. This is why, despite years of research, major programming languages such as C/C++ and Java do not yet have completely adequate formal models defining their concurrency semantics. In this thesis, we address this challenge and develop a formal concurrency model that is very good both in terms of compilation efficiency and of programmability. Unlike most previous approaches, which were defined either operationally or axiomatically on single executions, our formal model is based on event structures, which represents multiple program executions, and thus gives us more structure to define the semantics of concurrency. In more detail, our formalization has two variants: the weaker version, WEAKEST, and the stronger version, WEAKESTMO. The WEAKEST model simulates the promising semantics proposed by Kang et al., while WEAKESTMO is incomparable to the promising semantics. Moreover, WEAKESTMO discards certain questionable behaviors allowed by the promising semantics. We show that the proposed WEAKESTMO model resolve out-of-thin-air problem, provide standard data-race-freedom (DRF) guarantees, allow the desirable optimizations, and can be mapped to the architectures like x86, PowerPC, and ARMv7. Additionally, our models are flexible enough to leverage existing results from the literature to establish data-race-freedom (DRF) guarantees and correctness of compilation. In addition, in order to ensure the correctness of compilation by a major compiler, we developed a translation validator targeting LLVM’s “opt” transformations of concurrent C/C++ programs. Using the validator, we identified a few subtle compilation bugs, which were reported and were fixed. Additionally, we observe that LLVM concurrency semantics differs from that of C11; there are transformations which are justified in C11 but not in LLVM and vice versa. Considering the subtle aspects of LLVM concurrency, we formalized a fragment of LLVM’s concurrency semantics and integrated it into our WEAKESTMO model.

Alkyl methoxypyrazines (MPs) have been identified in foodstuffs of plant origin as potent flavor compounds, contributing significantly to the characteristic vegetative, so-called green sensory impression of products made thereof. Of particular interest are 2-isopropyl-3-methoxypyrazin (IPMP), 2-methoxy-3-sec-butylpyrazin (SBMP) and 2-isobutyl-3-methoxypyrazin (IBMP) as they are often dominating in flavor due to their low odor thresholds. Biogenesis of MPs takes place in various species, resulting in variing concentration levels and distributions (ppt levels in Vitis vinifera wine berries, ppb levels in vegetables). The before mentioned and further MPs are also found in body fluids of insects such as ladybugs, e. g. in the species Coccinella septempunctata and Harmonia axyridis. Ladybugs may play a role in the generation of off-flavors in wine in case of their incorporation during harvest and wine making. Furthermore, MPs are products from the metabolism of certain microorganisms and could lead to off-flavors indirectly via contact materials like cork stoppers for wine. The last step in the proposed biosynthetic pathway(s) was clarified als O-methylation of alykl hydroxypyrazines, whereas the initial steps considering naturally occurring amino acids as starting materials are not yet fully explored. In case of SBMP, the alkyl side chain may thus derive from L-isoleucine, resulting in the same, namely (S)-configuration of the stereo center in SBMP. Considering analytical approaches, MPs in high concentration levels as in vegetables are accessible using classical extraction techniques, simple separation and detection techniques. On the other hand, for lower concentration ranges near the odor thresholds of MPs in wine and for the highly complex matrix of wine most analytical methods do not yield the necessary levels of detections. In this work a trace-level method for routine analysis and quantitation of MPs in the concentration range of the odor thresholds in white wine of 1 to 2 ng/L was developed. The extraction of the analytes was based on automated headspace solid phase micro extraction (HS-SPME). The separation was done either by heart-cut multidimensional GC (H/C MDGC) or comprehensive two-dimensional GC (GCxGC). MPs were detected using mass spectrometry (MS) in the selected ion monitoring (SIM) mode, especially for higher concentrations. To better clarify co-elution situations and for lower MP concentrations, tandem MS (MS/MS) was used in the selected reaction monitoring (SRM) mode. For a more reliable quatitation of trace levels, the stable isotope dilution assay (SIDA) was applied. The optimized method using HS-SPME H/C MDGC-MS/MS had levels of detection at concentrations below the odor thresholds of MPs in wine and allowed for the analysis of further MPs (isomers of dimethyl methoxypyrazine). As the core piece of enantiodifferentiation, one of the analytical columns in MDGC or GCxGC was replaced by a column with chiral selectors on the stationary phase, enabling the evaluation of the enantiomeric composition of SBMP in various samples. The quantitation of MPs in vegetable samples in this work revealed levels in the range of a few ng/kg up to µg/kg, which is in accordance with results from literature. Quantitative studies of wine (Sauvignon blanc and Cabernet blanc) indicated influences of oenological and viticultural processes on MP levels. The evaluation of the enantiomeric composition of SBMP resulted in the exclusive detection of (S)-SBMP in all analyzed samples, various vegetables, wine and ladybug species. The congruency of the configuration of the stereo center in the side chain of (S)-SBMP and the side chain of L-Isoleucin supports the hypothesis that natural amino acids serve as starting material in the biosynthesis of MPs. Extending the optimized H/C MDGC method, a successful separation of the isomers 3-methoxy-2,5-dimethylpyrazin (DMMP) and 2-methoxy-3,5-dimethylpyrazin (MDMP) was achieved. Of these isomers only MDMP was detected in cork and wine with an atypical cork off-flavor and it was identified for the first time in two ladybug species, Harmonia axyridis and Coccinella septempunctata. The methods developed in this work allowed for the quantitation of MPs in the range of a few ng/L. This can be used for further studies on influences on endogenic MP levels in Vitis vinifera or on influences on MP levels in wine by oenological processes or by contamination from different sources. For further clarification on the biogenesis of MPs, studies using labeled precursors or intermediates have to be developed. For the analysis of the resulting compounds from these fundamental studies, the quantitative (and enantioselective) analytical methods described here are essential.

Wissenschaftliche Studien belegen, dass die überwiegende Mehrheit der Geflüchteten in Großstädten wohnen will. Hauptgrund ist die Hoffnung, dort leichter Arbeit und Kontakt zu anderen Geflüchteten zu finden. Aufgrund geringerer Einkommen, mangelnder Sprachkenntnisse und Diskriminierungen bekommen Geflüchtete allerdings nur schwer Zugang zum Wohnungsmarkt. Befürchtungen, dass gerade Metropolen mit der Unterbringung überfordert sind, führen zu Forderungen, Geflüchtete verstärkt in ländlichen Räumen unterzubringen. Ob eine Integration in ländlichen Regionen jedoch gelingen kann, hängt von der Verfügbarkeit von geeignetem Wohnraum, Arbeitsplätzen, ÖPNV, Kapazitäten im Bildungssystem und einer Akzeptanz von Zuwanderung in der Bevölkerung ab. Das Wohnumfeld nimmt dabei eine entscheidende Rolle für die Integration ein. Im Poster wird anhand dreier Fallbeispiele in Rheinland-Pfalz dargestellt wo und wie Geflüchtete wohnen, in-wiefern sie von Segregation betroffen sind, welche Einbindung sie in ihr Umfeld haben und was ihnen bei der Unterbringung wichtig ist. Methodisch beruht der Beitrag auf der Auswertung der SOEP-Flüchtlingsstudie – differenziert nach siedlungsstrukturellen Merkmalen - sowie amtlichen Daten aus der kleinen Großstadt Kaiserslau-tern, der Schwarmstadt Mainz und dem ländlichen Landkreis Kusel. Des Weiteren haben wir im Jahr 2018 53 leitfadengestützte Interviews mit Geflüchteten, Anwohnern und Anwohnerinnen sowie Expertinnen und Experten aus drei Untersuchungsräumen geführt. Der Vergleich von städtischen und ländlichen Räumen zeigt, dass die sozialräumlichen Bedingungen für eine gelungene Integration nicht ausschließlich in Städten vorhanden sind. Multiethnische Quartiere in Metropolen können die Vernetzung begünstigen, sie bergen aber auch die Gefahr einer wachsenden unfreiwilligen Segregation. Die Interviews aus Kusel zeigen, dass Geflüchtete, die zentral im ländlichen Raum wohnen, mit dem Leben dort zufrieden sind. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass Geflüchtete – ebenso wie andere Migrantengruppen auch – Quartiere mit dichter Bebauung, einer Nutzung, die Erwerbsmöglichkeiten beinhaltet, und in denen zentrale Angebote zu Bildung, Arbeit und kostenfreien Treffpunkten vorhanden sind, bevorzugen. Diese Quartiere kann es in Metropolen, Mittelstädten, aber auch im ländlichen Raum geben.

The usage of sensors in modern technical systems and consumer products is in a rapid increase. This advancement can be characterized by two major factors, namely, the mass introduction of consumer oriented sensing devices to the market and the sheer amount of sensor data being generated. These characteristics raise subsequent challenges regarding both the consumer sensing devices' reliability and the management and utilization of the generated sensor data. This thesis addresses these challenges through two main contributions. It presents a novel framework that leverages sentiment analysis techniques in order to assess the quality of consumer sensing devices. It also couples semantic technologies with big data technologies to present a new optimized approach for realization and management of semantic sensor data, hence providing a robust means of integration, analysis, and reuse of the generated data. The thesis also presents several applications that show the potential of the contributions in real-life scenarios. Due to the broad range, growing feature set and fast release pace of new sensor-based products, evaluating these products is very challenging as standard product testing is not practical. As an alternative, an end-to-end aspect-based sentiment summarizer pipeline for evaluation of consumer sensing devices is presented. The pipeline uses product reviews to extract the sentiment at the aspect level and includes several components namely, product name extractor, aspects extractor and a lexicon-based sentiment extractor which handles multiple sentiment analysis challenges such as sentiment shifters, negations, and comparative sentences among others. The proposed summarizer's components generally outperform the state-of-the-art approaches. As a use case, features of the market leading fitness trackers are evaluated and a dynamic visual summarizer is presented to display the evaluation results and to provide personalized product recommendations for potential customers. The increased usage of sensing devices in the consumer market is accompanied with increased deployment of sensors in various other fields such as industry, agriculture, and energy production systems. This necessitates using efficient and scalable methods for storing and processing of sensor data. Coupling big data technologies with semantic techniques not only helps to achieve the desired storage and processing goals, but also facilitates data integration, data analysis, and the utilization of data in unforeseen future applications through preserving the data generation context. This thesis proposes an efficient and scalable solution for semantification, storage and processing of raw sensor data through ontological modelling of sensor data and a novel encoding scheme that harnesses the split between the statements of the conceptual model of an ontology (TBox) and the individual facts (ABox) along with in-memory processing capabilities of modern big data systems. A sample use case is further introduced where a smartphone is deployed in a transportation bus to collect various sensor data which is then utilized in detecting street anomalies. In addition to the aforementioned contributions, and to highlight the potential use cases of sensor data publicly available, a recommender system is developed using running route data, used for proximity-based retrieval, to provide personalized suggestions for new routes considering the runner's performance, visual and nature of route preferences. This thesis aims at enhancing the integration of sensing devices in daily life applications through facilitating the public acquisition of consumer sensing devices. It also aims at achieving better integration and processing of sensor data in order to enable new potential usage scenarios of the raw generated data.

Der zunehmende Ausbau dezentraler Erzeugungsanlagen sowie die steigende Anzahl an Elektrofahrzeugen stellen die Niederspannungsnetze vor neue Herausforderungen. Neben der Einhaltung des zulässigen Spannungsbands führen Erzeugungsanlagen und neue Lasten zu einer zunehmenden thermischen Auslastung der Leitungen. Einfache, konventionelle Maßnahmen wie Topologieänderungen zu vermascht betriebenen Niederspannungsnetzen sind ein erster hilfreicher und kostengünstiger Ansatz, bieten aber keinen grundsätzlichen Schutz vor einer thermischen Überlastung der Betriebsmittel. Diese Arbeit befasst sich mit der Konzeption eines Spannungs- und Wirkleistungsreglers für vermaschte Niederspannungsnetze. Durch den Regler erfolgt eine messtechnische Erfassung der Spannungen und Ströme in einzelnen Messpunkten des Niederspannungsnetzes. Mit Hilfe eines speziellen Kennlinienverfahrens kann eine Leistungsverschiebung in einzelnen Netzmaschen hervorgerufen und vorgegebene Soll- oder Grenzwerte eingehalten werden. In vorliegender Arbeit werden die analytischen Grundlagen des Reglers, seine Hardware sowie das Kennlinienverfahren zusammen mit den realisierbaren Regelkonzepten vorgestellt. Die Ergebnisse aus Simulationsstudien, Labor- und Feldtests stellen die Effektivität des Reglers eindeutig dar und werden diskutiert.